(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガスを拡散律速させるガス律速体と、
前記ガス律速体の一面側において電極、固体電解質及び電極の順に積層された第１積層構造体と、
前記ガス律速体の他面側において電極、固体電解質及び電極の順に積層された第２積層構造体と、
前記第１積層構造体及び前記第２積層構造体のいずれか一方の両電極を介して、定電流を供給する定電流回路と、
前記第１積層構造体及び前記第２積層構造体のいずれか一方の両電極を介して、定電圧を印加する定電圧回路と、
前記定電流回路からの定電流の供給先を前記第１積層構造体側と前記第２積層構造体側とで切替可能であると共に、前記定電圧回路により印加される定電圧の印加先を、前記定電流の供給先と異なる積層構造体側に切替可能である切替手段と、
前記切替手段によって定電流の供給先とされた積層構造体が前記定電流に応じた濃度の酸素ガスを前記ガス律速体に供給するポンプセルとして機能し、且つ、前記切替手段によって定電圧の印加先とされた積層構造体が前記ポンピングセルによって供給された酸素ガスの濃度と自然拡散により前記ガス律速体に導入された酸素ガスの濃度とに応じた限界電流を出力可能なセンサセルとして機能することにより、前記センサセル側に流れる限界電流を測定する限界電流測定部と、
前記限界電流測定部により測定された限界電流の値に基づいて空燃比を求める制御部と、
を備えることを特徴とする空燃比検出装置。
【請求項２】
前記切替手段は、前記定電流回路からの定電流の供給先となる積層構造体への印加電圧が所定値以上となった場合に、定電流の供給先を切り替えると共に、定電圧の印加先を、前記定電流の供給先と異なる積層構造体側に切り替える
ことを特徴とする請求項１に記載の空燃比検出装置。
【請求項３】
前記切替手段は、測定対象となるガスの発生源となる燃焼機の起動時及び停止時の少なくとも一方のときに、定電流の供給先を切り替えると共に、定電圧の印加先を、前記定電流の供給先と異なる積層構造体側に切り替える
ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の空燃比検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空燃比検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、限界電流に基づいて雰囲気中の酸素濃度を測定する限界電流式酸素センサが知られている。この限界電流式酸素センサは、車両の排気ガスが排出される排気通路に配置され、空燃比を検出するための空燃比センサとして用いられることがある（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
特に、特許文献１に記載の空燃比センサでは、ポンピングセルからガス律速体に一定濃度の酸素が供給される。このため、酸化雰囲気ではポンピングセルから供給された酸素と自然拡散によりガス律速体に供給された酸素とがセンサセル側に到達することとなり、これに応じた限界電流が測定される。また、還元雰囲気ではポンピングセルから供給された酸素が、自然拡散によりガス律速体に供給されたＨＣ、ＣＯ、Ｈ２などと反応して消費されるため、消費後に残った酸素がセンサセル側に到達することとなる。そして、これに応じた限界電流が測定される。このように、特許文献１に記載の空燃比センサでは、酸化雰囲気から還元雰囲気までの広範囲の空燃比を計測できることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１０１２０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の空燃比センサでは、長期の使用によりポンピングセル側に炭素が堆積してしまう問題があった。すなわち、ポンピングセルが酸素を供給するに当たり、以下の反応が生じる。
ＣＯ＋２ｅ−→Ｏ２−＋Ｃ
ＣＯ２＋４ｅ−→２Ｏ２−＋Ｃ
Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→Ｏ２−＋Ｈ２↑
【０００６】
このように、水素は気体として放出されるが、炭素に関しては上記反応からポンピングセル側に堆積することとなる。そして、ポンピングセルに炭素が堆積してしまうと、ポンピングセルの反応面積が減少してしまい、一定濃度の酸素を供給する能力、すなわちポンプセル能力が低下してしまう。
【０００７】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、ポンプセル能力の低下を抑制することが可能な空燃比検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の空燃比検出装置は、被測定ガスを拡散律速させるガス律速体と、前記ガス律速体の一面側において電極、固体電解質及び電極の順に積層された第１積層構造体と、前記ガス律速体の他面側において電極、固体電解質及び電極の順に積層された第２積層構造体と、前記第１積層構造体及び前記第２積層構造体のいずれか一方の両電極を介して、定電流を供給する定電流回路と、前記第１積層構造体及び前記第２積層構造体のいずれか一方の両電極を介して、定電圧を印加する定電圧回路と、前記定電流回路からの定電流の供給先を前記第１積層構造体側と前記第２積層構造体側とで切替可能であると共に、前記定電圧回路により印加される定電圧の印加先を、前記定電流の供給先と異なる積層構造体側に切替可能である切替手段と、前記切替手段によって定電流の供給先とされた積層構造体が前記定電流に応じた濃度の酸素ガスを前記ガス律速体に供給するポンプセルとして機能し、且つ、前記切替手段によって定電圧の印加先とされた積層構造体が前記ポンピングセルによって供給された酸素ガスの濃度と自然拡散により前記ガス律速体に導入された酸素ガスの濃度とに応じた限界電流を出力可能なセンサセルとして機能することにより、前記センサセル側に流れる限界電流を測定する限界電流測定部と、前記限界電流測定部により測定された限界電流の値に基づいて空燃比を求める制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
この空燃比検出装置によれば、定電流回路からの定電流の供給先を第１積層構造体側と第２積層構造体側とで切替可能であると共に、定電圧回路により印加される定電圧の印加先を、定電流の供給先と異なる積層構造体側に切替可能である。このため、一方の積層構造体をポンプセルとして使用して炭素が堆積してしまっても、他方の積層構造体から一定濃度の酸素を供給することが可能となる。そして、他方の積層構造体から酸素が供給されるため、一方の積層構造体では、積層した炭素と送られてくる酸素とが反応し、Ｃ＋２Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−なる反応式から、堆積した炭素が除去されることとなる。これにより、再度一方の積層構造体をポンプセルとして使用することが可能となる。従って、ポンプセル能力の低下を抑制することができる。
【００１０】
また、本発明の空燃比検出装置において、前記切替手段は、前記定電流回路からの定電流の供給先となる積層構造体への印加電圧が所定値以上となった場合に、定電流の供給先を切り替えると共に、定電圧の印加先を、前記定電流の供給先と異なる積層構造体側に切り替えることが好ましい。
【００１１】
この空燃比検出装置によれば、定電流回路からの定電流の供給先となる積層構造体への印加電圧が所定値以上となった場合に、定電流の供給先を切り替えると共に、定電圧の印加先を、定電流の供給先と異なる積層構造体側に切り替える。このため、積層構造体に炭素が堆積し、定電流回路からの印加電圧が高くなったときに、切り替えることとなり、適切なタイミングで切替を行うことができる。
【００１２】
また、本発明の空燃比検出装置において、前記切替手段は、測定対象となるガスの発生源となる燃焼機の起動時及び停止時の少なくとも一方のときに、定電流の供給先を切り替えると共に、定電圧の印加先を、前記定電流の供給先と異なる積層構造体側に切り替えることが好ましい。
【００１３】
この空燃比検出装置によれば、測定対象となるガスの発生源となる燃焼機の起動時及び停止時の少なくとも一方のときに、定電流の供給先を切り替えると共に、定電圧の印加先を、定電流の供給先と異なる積層構造体側に切り替える。このため、空燃比センサが車両に搭載されている場合、エンジンの起動時や停止時などに切り替えられることとなる。これにより、頻繁に切替が行われ、炭素が堆積しても比較的すぐに炭素が除去されることとなる。従って、ポンプセル能力の低下を一層抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ポンプセル能力の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る空燃比検出装置の構成図である。
【図２】本実施形態に係る空燃比検出装置の動作を示すフローチャートであって、スイッチの切替処理を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る空燃比検出装置の構成図である。図１に示す空燃比検出装置１は、車両の排気ガスが排出される排気通路に配置され、空燃比を検出するためのものである。
【００１７】
この空燃比検出装置１は、空燃比センサ１０と、第１定電流回路（定電流回路）２１と、第２定電流回路（定電流回路）２２と、第１定電圧回路（定電圧回路）３１と、第２定電圧回路（定電圧回路）３２と、第１限界電流測定部４１と、第２限界電流測定部４２と、制御部（切替手段）５０とを備えている。
【００１８】
空燃比センサ１０は、多孔質セラミック（ガス律速体）１１と、第１積層構造体１２と、第２積層構造体１３とを備えている。多孔質セラミック１１は、被測定ガスを拡散律速させるものである。第１積層構造体１２は、ガス律速体１１の一面側において電極１２ａ、固体電解質１２ｂ及び電極１２ｃの順に積層された構造体である。第２積層構造体１３についても、第１積層構造体１２と同様に、ガス律速体１１の他面側において電極１３ａ、固体電解質１３ｂ及び電極１３ｃの順に積層された構造体である。
【００１９】
詳細に第１積層構造第１２の電極１２ａは、白金などからなる例えば平板状の部材であって、ガス律速体１１の一面側に設けられている。固体電解質１２ｂは、安定化ジルコニアからなる部材であって、図１に示すように例えば断面略Ｌ字状に形成されている。この固体電解質１２ｂは、電極１２ａの一部を覆うと共にＬ字の先端側がガス律速体１１に接するように配置されている。電極１２ｃは、電極１２ａと同様に白金などからなり、例えば断面略Ｌ字状に形成されている。この電極１２ｃは、固体電解質１２ｂの一部を覆うと共にＬ字の先端側がガス律速体１１に接するように配置されている。
【００２０】
また、第２積層構造第１３についても第１積層構造体１２と同様であり、電極１３ａは、白金などからなる例えば平板状の部材であって、ガス律速体１１の他面側に設けられている。固体電解質１３ｂは、安定化ジルコニアからなる部材であって、図１に示すように例えば断面略Ｌ字状に形成されている。この固体電解質１３ｂは、電極１３ａの一部を覆うと共にＬ字の先端側がガス律速体１１に接するように配置されている。電極１３ｃは、電極１３ａと同様に白金などからなり、例えば断面略Ｌ字状に形成されている。この電極１３ｃは、固体電解質１３ｂの一部を覆うと共にＬ字の先端側がガス律速体１１に接するように配置されている。
【００２１】
第１定電流回路２１は、第１積層構造体１２に定電流を供給するものである。この第１定電流回路２１は、定電流源２１ａと、スイッチ２１ｂとを備えており、電極１２ａが陽極で電極１２ｃが陰極となるように接続される。このため、スイッチ２１ｂがオンされると、定電流が流れ、定電流に応じた濃度の酸素ガスがガス律速体１１に供給されることとなる。
【００２２】
第２定電流回路２２は、第２積層構造体１３に定電流を供給するものである。この第２定電流回路２２は、第１定電流回路２１と同様に、定電流源２２ａと、スイッチ２２ｂとを備えており、電極１３ａが陽極で電極１３ｃが陰極となるように接続される。このため、スイッチ２２ｂがオンされると、定電流が流れ、定電流に応じた濃度の酸素ガスがガス律速体１１に供給されることとなる。
【００２３】
なお、後述するが、スイッチ２１ｂ，２２ｂはいずれか一方しかオンとされず、第１及び第２定電流回路２１，２２は、第１積層構造体１２及び第２積層構造体１３のいずれか一方の両電極１２ａ，１２ｃ，１３ａ，１３ｃを介して、定電流を供給することとなる。
【００２４】
第１定電圧回路３１は、第１積層構造体１２に定電圧を供給するものである。この第１定電圧回路３１は、定電圧源３１ａと、スイッチ３１ｂとを備えており、スイッチ３１ｂがオンされると、第１積層構造体１２に定電圧が印加される構成となっている。第２定電圧回路３２は、第２積層構造体１３に定電圧を供給するものである。この第２定電圧回路３２は、第１定電圧回路３１と同様に、定電圧源３２ａと、スイッチ３２ｂとを備えており、スイッチ３２ｂがオンされると、第２積層構造体１３に定電圧が印加される構成となっている。
【００２５】
なお、後述するが、スイッチ３１ｂ，３２ｂはいずれか一方しかオンとされず、第１及び第２定電圧回路３１，３２は、第１積層構造体１２及び第２積層構造体１３のいずれか一方の両電極１２ａ，１２ｃ，１３ａ，１３ｃを介して、定電圧を印加することとなる。さらに、スイッチ２１ｂがオンされた場合、スイッチ３１ｂはオンせず、スイッチ３２ｂのみがオンされる。同様に、スイッチ２２ｂがオンされた場合、スイッチ３２ｂはオンせず、スイッチ３１ｂのみがオンされる。
【００２６】
第１限界電流測定部４１は、第１定電圧回路３１上に直列接続されるものであって、限界電流を測定するものである。この第１限界電流測定部４１は、スイッチ２２ｂ，３１ｂがオンとなり、第１積層構造体１２がセンサセルとして機能し、第２積層構造体１３がポンプセルとして機能したときに、電力１２ａ，１２ｃ間に流れる限界電流を測定するものである。また、第１限界電流測定部４１は、測定した限界電流の情報を制御部５０に送信する構成となっている。
【００２７】
第２限界電流測定部４２は、第１限界電流測定部４１と同様に、第２定電圧回路３２上に直列接続されるものであって、限界電流を測定するものである。この第２限界電流測定部４２は、スイッチ２１ｂ，３２ｂがオンとなり、第２積層構造体１３がセンサセルとして機能し、第１積層構造体１２がポンプセルとして機能したときに、電力１３ａ，１３ｃ間に流れる限界電流を測定するものである。また、第２限界電流測定部４１は、測定した限界電流の情報を制御部５０に送信する構成となっている。
【００２８】
制御部５０は、第１限界電流測定部４１及び第２限界電流測定部４２から送信される限界電流の情報に基づいて、空燃比を求めるものである。また、制御部５０は、スイッチ２１ｂ，２２ｂ，３１ｂ，３２ｂをオンオフする機能を備えている。このため、制御部５０は、第１及び第２定電流回路３１，３２からの定電流の供給先を第１積層構造体１２側と第２積層構造体１３側とで切替可能であると共に、第１及び第２定電圧回路４１，４２により印加される定電圧の印加先を、定電流の供給先と異なる積層構造体１２，１３側に切替可能となっている。
【００２９】
次に、本実施形態に係る空燃比検出装置の基本動作を説明する。まず、スイッチ２１ｂ，３２ｂがオンされ、他のスイッチ２２ｂ，３１ｂがオフされる。これにより、第１積層構造体１２はポンプセルとして機能し、第２積層構造体１３はセンサセルとして機能する。
【００３０】
すなわち、第１定電流回路３１は、第１積層構造体１２に定電流を供給することとなる。これにより、第１積層構造体１２は、電極１２ｃにおいて酸素ガスＯ２、炭酸ガスＣＯ，ＣＯ２、及び水蒸気Ｈ２Ｏを下記式により分解する。
Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−
ＣＯ＋２ｅ−→Ｏ２−＋Ｃ
ＣＯ２＋４ｅ−→２Ｏ２−＋Ｃ
Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→Ｏ２−＋Ｈ２↑
【００３１】
また、分解された酸素イオンは固体電解質１２ｂへ汲み取られ、固体電解質１２ｂ中を伝導し、電極１２ａに達する。そして、酸素イオンは、電極１２ａにおいて電子を放出し、酸素ガスとなってガス律速体１１に導入される。
【００３２】
また、図１に示すように、ガス律速体１１の側面などは電極１２ａ，１３ａ等が載置されておらず排気通路を流れる排ガスに曝されるため、ガス律速体１１には自然拡散により排ガスが導入される。ここで、空燃比センサ１０の周囲雰囲気が酸化雰囲気である場合、排ガス中の酸素が自然拡散によりガス律速体１０に導入される。
【００３３】
このため、第２積層構造体１３の電極１３ａには、第１積層構造体１２から送られてきた酸素ガスと自然拡散により導入された酸素ガスとが到達することとなる。そして、酸素ガスは電極１３ａにおいて電子を受け取って酸素イオンとなり、酸素イオンは、固体電解質１３ｂ中を伝導し、電極１３ｃにおいて電子を放出して酸素ガスとなる。特に、第２積層構造体１３では電極１３ａ，１３ｃにおいて電子の授受があるため、電流が流れることとなる。また、流れる電流の値は、第２定電圧回路３２の電圧値が高くなると初期的には電圧値の上昇にあわせて高くなっていくが、ある電圧値以上となると電流値は上昇せずに飽和状態となる。これにより限界電流が流れることとなる。
【００３４】
そして、第２限界電流測定部４２は、限界電流の値を測定し、この情報を制御部５０に送信する。そして、制御部５０は、送信された限界電流の値から空燃比を求めることとなる。
【００３５】
また、スイッチ２２ｂ，３１ｂがオンされ、他のスイッチ２１ｂ，３２ｂがオフされた場合も同様である。すなわち、第２積層構造体１３はポンプセルとして機能し、第１積層構造体１２はセンサセルとして機能する。この場合も上記と同様に、限界電流が測定され、空燃比が求められることとなる。
【００３６】
ここで、上記反応式に示すように、ポンプセルとして機能する積層構造体１２，１３側には、炭素が堆積してしまう。しかし、本実施形態に係る空燃比検出装置１では、スイッチ２１ｂ，２２ｂ，３１ｂ，３２ｂの切替により、炭素を除去可能となっている。
【００３７】
すなわち、本実施形態に係る空燃比検出装置１は、一方の積層構造体１２，１３をポンプセルとして使用して炭素が堆積してしまっても、他方の積層構造体１２，１３から一定濃度の酸素を供給することが可能となっている。このため、他方の積層構造体１２，１３から酸素が供給され、一方の積層構造体１２，１３では、積層した炭素と送られてくる酸素とが反応し、Ｃ＋２Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−なる反応式から、堆積した炭素が除去されることとなる。これにより、再度一方の積層構造体をポンプセルとして使用することが可能となる。
【００３８】
図２は、本実施形態に係る空燃比検出装置１の動作を示すフローチャートであって、スイッチ２１ｂ，２２ｂ，３１ｂ，３２ｂの切替処理を示している。図２に示すように、まず制御部５０は、燃焼機（本装置１が車両に搭載される場合にはエンジン）の起動タイミングであるか否かを判断する（Ｓ１）。燃焼機の起動タイミングであると判断した場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、処理はステップＳ５に移行する。
【００３９】
一方、燃焼機の起動タイミングでないと判断した場合（Ｓ１：ＮＯ）、制御部５０は、燃焼機の停止タイミングであるか否かを判断する（Ｓ２）。燃焼機の停止タイミングであると判断した場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、処理はステップＳ５に移行する。
【００４０】
燃焼機の停止タイミングでないと判断した場合（Ｓ２：ＮＯ）、制御部５０は、第１定電流回路２１又は第２定電流回路２２が定電流を流すのに要する印加電圧を測定する（Ｓ３）。このとき、制御部５０は、第１積層構造体１２がポンプセルとして機能している場合、第１定電流回路２１の印加電圧を測定する。また、制御部５０は、第２積層構造体１３がポンプセルとして機能しているが場合、第２定電流回路２２の印加電圧を測定する。
【００４１】
その後、制御部５０は、ステップＳ３において測定した印加電圧が所定値以上であるか否かを判断する（Ｓ４）。ここで、積層構造体１２，１３に炭素が堆積すると、構造体の劣化により印加電圧が上昇する。このため、ステップＳ３において測定した印加電圧が所定値以上でないと判断した場合（Ｓ４：ＮＯ）、切替は行われず、図２に示す処理は終了する。なお、所定値は、例えば０．５ｍＡの定電流を発生させる場合、１．５Ｖ程度であるが、特にこれに限られるものではない。
【００４２】
一方、ステップＳ３において測定した印加電圧が所定値以上であると判断した場合（Ｓ４：ＹＥＳ）、処理はステップＳ５に移行する。そして、ステップＳ５において制御部５０はスイッチ２１ｂ，２２ｂ，３１ｂ，３２ｂを切り替える（Ｓ５）。
【００４３】
具体的に制御部５０は、スイッチ２１ｂ，３２ｂがオンとなっており、スイッチ２２ｂ，３１ｂがオフとなっている場合、スイッチ２１ｂ，３２ｂをオフとし、スイッチ２２ｂ，３１ｂをオンとする。逆の場合も同様である。
【００４４】
そして、切替後、図２に示す処理は終了する。
【００４５】
このようにして、本実施形態に係る空燃比検出装置１によれば、定電流の供給先を第１積層構造体１２側と第２積層構造体１３側とで切替可能であると共に、定電圧の印加先を、定電流の供給先と異なる積層構造体１２，１３側に切替可能である。このため、一方の積層構造体１２，１３をポンプセルとして使用して炭素が堆積してしまっても、他方の積層構造体１２，１３から一定濃度の酸素を供給することが可能となる。そして、他方の積層構造体１２，１３から酸素が供給されるため、一方の積層構造体１２，１３では、積層した炭素と送られてくる酸素とが反応し、Ｃ＋２Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−なる反応式から、堆積した炭素が除去されることとなる。これにより、再度一方の積層構造体１２，１３をポンプセルとして使用することが可能となる。従って、ポンプセル能力の低下を抑制することができる。
【００４６】
また、定電流の供給先となる積層構造体１２，１３への印加電圧が所定値以上となった場合に、定電流の供給先を切り替えると共に、定電圧の印加先を、定電流の供給先と異なる積層構造体１２，１３側に切り替える。このため、積層構造体１２，１３に炭素が堆積し、第１又は第２定電流回路３１，３２からの印加電圧が高くなったときに、切り替えることとなり、適切なタイミングで切替を行うことができる。
【００４７】
また、測定対象となるガスの発生源となる燃焼機の起動時及び停止時の少なくとも一方のときに、定電流の供給先を切り替えると共に、定電圧の印加先を、定電流の供給先と異なる積層構造体１２，１３側に切り替える。このため、空燃比センサ１０が車両に搭載されている場合、エンジンの起動時や停止時などに切り替えれることとなる。これにより、頻繁に切替が行われ、炭素が堆積しても比較的すぐに炭素が除去されることとなる。従って、ポンプセル能力の低下を一層抑制することができる。
【００４８】
さらには、積層構造体１２，１３の双方をポンプセルとしてもセンサセルとしても使用できるため、切替後においても空燃比を測定でき、炭素の除去を行いつつ空燃比を測定することができる。
【００４９】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。
【００５０】
例えば、本実施形態に係る空燃比検出装置１において、スイッチ２１ｂ，２２ｂ３１ｂ，３２ｂの切替は、燃焼機の起動時、停止時及び印加電圧の上昇時に行われるが、これに限らず、例えば一定時間経過時などであってもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１…空燃比検出装置
１１…ガス律速体
１２…第１積層構造体
１３…第２積層構造体
１２ａ，１２ｃ，１３ａ，１３ｃ…電極
１２ｂ，１３ｂ…固体電解質
２１…第１定電流回路（定電流回路）
２２…第２定電流回路（定電流回路）
２１ａ，２２ａ…定電流源
３１…第１定電圧回路（定電圧回路）
３２…第２定電圧回路（定電圧回路）
３１ａ，３２ａ…定電圧源
２１ｂ，２２ｂ，３１ｂ，３２ｂ…スイッチ
４１…第１限界電流測定部
４２…第２限界電流測定部
５０…制御部（切替手段）
【図１】
0005399303.tif 000002
【図２】
0005399303.tif 000003